距离保护课程设计计算.docx

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距离保护课程设计计算

一．设计原始资料

1.1具体题目

下图所示1.1系统中，发电机以发电机—变压器组方式接入系统，最大开机方式为4台机全开，最小开机方式为两侧各开一台机，变压器T5和T6可能2台也可能1台运行。

参数为：

EΦ=115/√3 kV,X1.G1= X2.G1=X2.G1=X2.G2=15Ω、X3.G1= X3G1=X4.G1=X4G2=10Ω,X1.T1= X1.T4=10Ω,X0.T4=30Ω,X1.T5= X1.T6=20Ω,X0.T5= X0.T6=40Ω,LA-B=60kM，LB-C=40kM线路阻抗Z1=Z2=0.4Ω/km,Z0=1.2Ω/km线路阻抗角均为75°，IA-B。

Lmax=IC-B。

Lmax=300A，负荷功率因数角为30°，Kss=1.2，Kre=1.2，KIrel=0.85，KIIrel=0.75变压器均装有快速差动保护。

图1.1电力系统示意图

1.2要完成的内容

根据题目要求，分析此电力系统网络的结构，继电保护装置的配置首先要满足四性的要求，即可靠性、选择性、速动性和灵敏性。

因此此次设计需要完成的内容包括：

（1）为了线路的正常运行，线路A-B、线路B-C发生故障时，在断路器1、2、3、4配置的保护装置应该有选择性的快速动作，切除故障。

（2）距离保护是通过测量短路阻抗的方法来间接地测量和判断故障距离，熟悉距离保护的整定计算，并按照题目所给出的数据计算出正确的保护Ⅰ段、保护Ⅱ段、保护Ⅲ段的整定值以及动作时间和灵敏度。

（3）在此基础上，正确的选择阻抗继电器，能在系统故障的情况下快速准确的测定出故障方向和距离，并与预先设定的保护范围相比较，区内故障时给出动作信号，区外故障时不动作。

（4）完整的距离保护的构成还包括振荡闭锁部分、电压回路断线部分、配合逻辑部分、启动部分和出口部分，因此完整的保护配置应以上内容也做考虑。

2分析要设计的课题内容

2.1设计规程

根据继电保护在电力系统中所担负的任务，一般情况下，对动作于跳闸的继电保护在技术上有四条基本要求：

选择性、速动性、灵敏性、可靠性。

这几个之间，紧密联系，既矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每个电力原件的继电保护。

充分发挥和利用继电保护的科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性、稳定性和经济性发挥最大效能。

继电保护的可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护性能的最根本要求。

所谓安全性，是要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动作。

所谓信赖性，是要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不发生拒绝动作。

安全性和信赖性主要取决于保护装置本身的制造质量、保护回路的连接和运行维护的水平。

一般而言，保护装置的组成原件质量越高、回路接线越简单，保护的工作就越可靠。

同时，正确的调试、整定，良好的运行维护以及丰富的运行经验，对于提高保护的可靠性具有重要作用。

继电保护的选择性是指保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障从电力系统中断开，最大限度的保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。

它包含两种意思：

其一是只应有装在故障元件上的保护装置动作切除故障；其二是要力争相邻原件的保护装置对它起后备保护作用。

继电保护的速动性是指尽可能快的切出故障，以减少设备及用户在大短路电流、低电压下运行的时间，降低设备的损坏程度，提高电力系统并列运行的稳定性。

动作迅速而又能满足选择性要求的保护装置，一般结构都比较复杂，价格比较昂贵，对大量的中、低压电力原件，不一定都采用高速动作的保护。

对保护速动性要求的保护装置，一般结构都比较复杂，价格比较昂贵，对大量的中、低压电力原件的具体情况，经技术经济比较后确定。

继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的能力。

满足灵敏性要求的保护装置应该是在规定的保护范围内部故障时，在系统任意的运行条件下，无论短路点的位置、短路的类型如何以及短路点是否有过渡电阻，当发生短路时都能敏锐感觉、正确反应。

灵敏性通常用灵敏系数或灵敏度来衡量，增大灵敏度，增加了保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。

对各类保护的的灵敏系数的要求都作了具体规定，一般要求灵敏系数在1.2~2之间。

以上四个基本要求是评价和研究继电保护性能的基础，在它们之间，既有矛盾的一面，又要根据被保护原件在电力系统中的作用，使以上四个基本要求在所配置的保护中得到统一。

继电保护的科学研究、设计、制造和运行的大部分工作也是围绕如何处理好这四者的辩证统一关系进行的。

相同原理的保护装置在电力系统不同位置安装时如何配置相应的继电保护，才能最大限度地发挥被保护电力系统的运行效能，充分体现着继电保护工作的科学性和继电保护工程实践的技术性。

2.2本设计的保护配置

2.2.1距离保护的选择

110kV及以上电压等级的线路，由于其负荷电流大，距离长，用电流保护往往不能满足技术要求，而需要采用距离保护。

这是因为与电流保护相比，距离保护有以下优点：

（1）灵敏度较高。

因为阻抗Z=U/I，阻抗继电器反映了正常情况与短路时电流、电压值的变化，短路时电流I增大，电压U降低，阻抗Z减小得多。

安装处的阻抗取决于短路点至保护安装处的电距离，基本上不受系统运行方式的影响.

（2）保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。

由于短路点至保护，因此，距离保护的保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。

（3）迅速动作的范围长。

距离保护第一段的保护范围比电流速断保护范围长，距离保护第二段的保护范围比限时电流速断保护范围长，因而距离保护迅速动作的范围较长。

距离保护比电流保护复杂，投资多。

但由于上述优点，在电流保护不能满足技术要求的情况下应当采用距离保护。

以下将对距离保护进行分析。

2.2.2主保护配置

距离保护的网络接线图示意图如图2所示。

距离保护Ⅰ段和距离保护Ⅱ段构成距离保护的主保护。

（1）距离保护的Ⅰ段距离保护Ⅰ段为无延时的速动段，它应该只反应本线路的故障，下级线路出口发生短路故障时，应可靠不动作。

所以其测量元件的整定阻抗，应该按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。

以A处保护断路器1为例，测量元件的整定阻抗为

ZIset=KIrelZAB（2-1）

即保护Ⅰ段的整定值应满足了ZIset

考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，引入可靠系数KIrel（一般取0.8—0.85）。

由于保护Ⅰ段瞬时动作，它的动作时限为t1（t1是断路器本身的固有动作时间）。

同理，保护2的Ⅰ段整定值为：

ZIset。

1=KIrelZac

但如此整定后，保护的Ⅰ段就只能保护线路全长的80%—85%，这是一个严重的缺点。

为了切除本线路末端15%—20%范围以内的故障，就需要设置距离保护第Ⅱ段。

（2）距离Ⅱ段整定值的选择和限时电流速断相似，即应使其不超出下一条线路距离Ⅰ段的保护范围，同时带有高出一个t的时限，以保证选择性,例如在图2中，当保护2第Ⅰ段末端短路时，保护1的测量阻抗为：

Zm=lZAB+ZIset。

2（2-3）

引入可靠系数KIIrel（一般取0.8），则保护1的Ⅱ段的整定阻抗为：

ZIIset。

1=KIIrel（ZAB+ZIset。

1）=0.8[ZAB+（0.8—0.85）Zac]（2-4）

2.2.3后备保护配置

为了作为相邻线路的保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离Ⅰ段与距离Ⅱ段的后备保护，还应该装设距离保护第Ⅲ段。

距离Ⅲ段：

整定值与过电流保护相似，其启动阻抗要按躲开正常运行时的负荷阻抗来选择，动作时限还按照阶梯时限特性来选择，并使其比距离Ⅲ段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个△t。

3.1主保护的整定计算

3.1.1距离保护的整定动作值

（1）整定保护1～4的距离I段

由题目已知条件计算可得AB的正序阻抗

ZAB=Z1LA-B=0.4X60=24Ω

线路BC的正序阻抗

Zac=Z1LM-C=0.4X40=16Ω

代入式（2-1）可得保护1，2的距离保护I段的整定值

ZIset1。

2=KIrelZAB=0.85X24=20.4Ω

保护3，4的距离保护I段的整定值

ZIset3。

4=KIrelZac=0.85X16=13.6Ω

（2）整定保护1、4的距离保护Ⅱ段由于分支电路对测量阻抗的影响在距离保护Ⅱ段整定时，必须首先求出各点的分支系数

保护1、4接地距离II段的最大、最小分支系数的计算

对保护1：

1与相邻下级线路距离保护I段相配合时

K1bmax=2.88，K1bmin=1.59

2与相邻变压器的快速保护相配合时

K1bmax=2.88，K1bmin=2.01

对保护4：

1与相邻下级线路距离保护I段相配合时

K4bmax=2.26，K4bmin=1.41

2与相邻变压器的快速保护相配合时

K4bmax=1.99，K4bmin=1.53

保护1距离II段的整定计算

整定阻抗按下面两个条件选择

..①与相邻下级线路距离保护I段相配合时

ZIIset。

1=KIIrel（ZAB+K1bminZIset。

3）=0.75（24+1.59X13.6）=34.218Ω（3-5）

与相邻变压器的快速保护相配合时.

ZIIset。

1=KIIrel（ZAB+K1bminZt）=0.75（24+2.01X20）=48.15Ω（3—6）比较二者，取整定值较小的一个，所以取

ZIIset。

1=34.218Ω

（3）保护4距离II段的整定计算

整定阻抗按下面两个条件选择

1当与相邻下级线路距离保护I段相配合时.

ZIIset。

4=KIIrel（Zac+K4bminZIset。

2）=0.75（16+1.41X20.4）=33.573Ω

2当与相邻变压器的快速保护相配合时

ZIIset。

4=KIIrel（Zac+K4bminZt）=0.75（16+1.53X20）=34.95Ω

比较二者，取整定值较小的一个，所以取.

ZIIset。

4=33.573Ω

3.1.2动作时间

（1）保护1～4距离保护Ⅰ段的动作时间

由于保护Ⅰ段瞬时动作，所以保护1～4距离保护Ⅰ段的动作时间它的动作时限为Ⅰt，是断路器固有的动作时间，约为0.5秒。

（2）保护1、4的距离保护Ⅱ段的动作时间①保护1的距离保护Ⅱ段的动作时间通过上面的整定阻抗的计算结果可知，保护1的距离保护Ⅱ段的动作时间应该与相邻保护3的II段配合，即

tII1=tII3+△t=0.5+0.5=1s

它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

②保②保护4的距离保护Ⅱ段的动作时间

通过上面的整定阻抗的计算结果可知，保护4的距离保护Ⅱ段的动作时间应该与与相邻保护2的I段配合，即

tII4=tII2+△t=0.5s

它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

3.1.3灵敏度校验

（1）保护1～4距离保护Ⅰ段的灵敏度校验由阻抗整定计算可得，保护的Ⅰ段就只能保护线路全长的80%-85%，所以保护1～4距离保护Ⅰ段的灵敏度为0.8-0.85。

（2）保护1、4的距离保护Ⅱ段的灵敏度校验

①保护1的距离保护Ⅱ段的灵敏度校验

Ksen=ZIIset。

1/ZAB=34.218/24=1.43>1.25

满足灵敏度要求。

3保护4的距离保护Ⅱ段的灵敏度校验

Ksen=ZIIset。

4/Zac=33.573/16=2.1>1.25

满足灵敏度的要求

3.2后备保护的整定计算

3.2.1阻抗的整定计算

（1）保护1距离III段的整定计算保护1距离III段的整定计算按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，即

ZL.min=UL.min/IL.max=0.9X110/（√3X0.3）=190.53

ZIIIset.1=ZL.min/[KrelKssKrecos（Φrel—ΦL）]

取Krel=1.2，Kss=1.2，Kre=1.2和Φset=75°，ΦL=30°

于是ZIIIset.1=190.53/[1.2X1.2X1.2cos（75—30）]=155.93Ω

（2）保护4距离III段的整定计算距离III段的整定阻抗按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，即

ZL.min=UL.min/IL.max=0.9X110/（√3X0.3）=190.53Ω

ZIIIset.4=ZL.min/[KrelKssKrecos（Φrel—ΦL）]取Krel=1.2，Kss=1.2，Kre=1.2和Φset=75°，ΦL=30°

于是ZIIIset.4=190.53/[1.2X1.2X1.2cos（75—30）]=155.93Ω3.2.2动作时间

（1）保护1距离保护III段的动作时间

保护1距离III段的动作时间应与相邻设备保护配合，即

tIII1=tIII3+△t=0.5+0.5=1s

它能同时满足与相邻线路保护和相邻变压器保护的配合要求。

（2）保护4距离保护III段的动作时间保护4距离保护III段的动作时间与相邻设备保护配合，即

tIII4=tIII2+△t=0.5+0.5=1s

它能同时满足与相邻线路保护和相邻变压器保护的配合要求。

3.2.3灵敏度校验

（1）保护1的距离保护Ⅲ段的灵敏度校验本线路末端短路时灵敏系数：

Ksen

（1）=ZIIIset.1/ZAB=155.93/24=6.50>1.5

（2）相邻设备末端短路时灵敏系数：

Ksen

（1）=ZIIIset.1/（ZAB+K1bmaxZnext）≥1.2

1邻线路末端短路时灵敏系数

1当X34.1、X56.0分别取最小值，而X12.1、X34.0、X12.0分别取最大值时，K1b就取最大值即当X34.1min=10Ω,X56.0min=20Ω,X12.1max=25Ω,X34.0max=30Ω,X12.0max=30Ω时

2邻变压器末端短路时灵敏系数此时

综上计算，灵敏度校验满足要求。

（2）保护4的距离保护Ⅲ段的灵敏度校验

①本线路末端短路时灵敏系数：

Ksen

（2）=ZIIIset.4/ZB=155.96/16>1.5

②相邻设备末端短路时灵敏系数：

Ksen

（2）=ZIIIset.4/[ZBC+K4b.maxZnext]≥1.2

③相邻线路末端短路时灵敏系数

当X12.1、X56.0分别取最小值，而X34.1、X12.0、X34.0分别取最大值时，K4b就取最大值，即X12.1min=12.5Ω,X56.0min=20Ω,X34.1max=20Ω,X12.0max=30ΩX34.0max=30Ω时

Znext=ZAB=24Ω

3相邻变压器末端短路时灵敏系数，此时

综上计算，灵敏度校验满足要求。

4继电保护设备的选择

4.1互感器的选择

互感器是按比例变换电压或电电流的设备。

其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或10A，均指额定值），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型，其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护装置等。

同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。

4.1.1电流互感器的选择

（1）形式的选择：

根据安装的地点及使用条件，选择电流互感器的绝缘结构、安装方式、一次绕组匝数等。

对于6-20kV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。

对于35kV及以上配电装置，一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式流互感器。

有条件时，应尽量采用套管式电流互感器。

选用母线式互感器时，应该校核其窗口允许穿过的母线尺寸。

（2）额定电压：

电流互感器一次回路额定电压不应低于安装地点的电网额定电压，即：

Uc>Ue=110kV

（3）额定电流：

电流互感器一次回路额定电流不应小于所在回路的最大持续工作电流，即：

Igmax>Ile=300A

（4）准确等级：

为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。

例如:

装于重要回路（如发电机、调相机、变压器、厂用馈线、出线等）中的电能表和计费的电能表一般采用0.5-1级表，相应的互感器的准确级不应低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和500kV级宜用0.2级。

供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表一般皆用..1-1.5级的，相应的电流互感器应为0.5-1级。

供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。

当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。

所以根据电流互感器安装处的电网电压、最大工作电流和安装地点要求，本次设计选型号为LCWB6-110W2屋外型电流互感器。

4.1.2电压互感器的选择

（1）电压互感器一次回路额定电压选择为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在（1.1-0.9）Ug范围内变动，即满足下列条件0.9Ug

选择时，满足UN=Ug=110kV即可。

（2）电压互感器二次侧额定电压的选择电压互感器二次侧额定线间电压为100V，要和所接用的仪表或继电器相适应。

（3）电压互感器种类和型式的选择电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如：

在6-35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110-220kV配电装置当容量和准确级满足要求时宜采用电容式电压互感器，也可采用油浸式；500kV均为电容式。

（4）准确级选择和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。

（5）按准确级和额定二次容量选择首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。

有关电压互感器准确级的选择原则，可参照电流互感器准确级选择。

一般供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。

本次设计根据电压等级选型号为为YDR-110的电压互感器。

4.2继电器的选择

正确选用继电器的原则应该是：

①继电器的主要技术性能，如触点负荷，动作时间参数，机械和电气寿命等，应满足整机系统的要求；②继电器的结构型式（包括安装方式）与外形尺寸应能适合使用条件的需要；③经济合理。

（1）按使用环境条件选择继电器型号环境适应性是继电器可靠性指标之一,使用环境和工作条件的差异，对继电器性能有很大的影响。

使用环境条件主要指温度（最大与最小）、湿度（一般指40摄氏度下的最大相对湿度）、低气压（使用高度1000米以下可不考虑）、振动和冲击。

此外，尚有封装方式、安装方法、外形尺寸及绝缘性等要求。

由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件各异，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器，可按整机的环境力学条件或高一级的条件选用。

（2）根据输入量选定继电器的输入参数在电磁继电器的输入参数中，与用户密切相关的是线圈的工作电压（或电流），而吸合电压（或电流）则是继电器制造厂约束继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数，它只是一个工作下限参考值。

不少用户因不了解继电器动作原理的特殊性，往往把吸合电压（或电流）错认为是继电器应可靠工作的电压（或电流），而把工作电压值取在吸合电压值上，这是十分危险也是不允许的。

因为吸合值只是保证继电器可靠动作的最小输入量，而继电器动作后，还需要一个保险量，以提高维持可靠闭合所需的接触压力、抗环境作用所需的电磁吸力。

否则，一旦环境温度升高或在机械振动和冲击条件下，或输入回路电流波动和电源电压降低时，仅靠吸合值是不可能保证可靠工作的。

所以选择继电器时，首先看继电器技术条件规定的额定工作电压是否与整机线路所能提供的电压相符，绝不能与继电器吸合值相比。

（3）根据负载情况选择继电器触点的种类与参数与被控电路直接连接的触点是继电器的接触系统。

国外和国内长期实践证明，约百分之七十以上的故障发生在触点上。

这除了与继电器本身结构与制造因素密切相关之外，未能正确选用和使用也是重要因素之一。

且大多数问题是由于用户的实际负载要求与继电器触点额定负载不同而引起的。

①根据控制要求确定触点组合形式，如需要的是常开还是常闭触点或转换触点；②根据被控回路多少确定触点的对数和组数；③根据负载性质与容量大小确定触点有关参数，如额定电压、电流与容量，有时还需要考虑对触点接触电阻、抖动时间、分布电容等的要求。

关于触点切换的额定值，电磁继电器一般规定它的性质及大小。

它的含义是指在规定的动作次数内，在定的电压和频率下，触点所能切换的电流的大小。

这一负载值是由继电器结构要素决定的。

为了便于考核比较，一般只规定阻性负载。

在实际使用中需要切换其它性质的负载。

（4）按工作状态选择继电器继电器的工作状态主要是指输入信号对线圈的作用状态。

继电器线圈的设计是对应于不同的输入信号状态的，有长期连续作用的信号，有短期重复工作（脉..冲）信号。

连续工作是指线圈能连续地承受工作信号的长期作用。

对脉冲信号还要考虑脉冲频率、通断比等。

因此，要根据信号特点选用适合于不同工作状态的继电器，一般不允许随便使用，特别要注意不能将短期工作状态的继电器使用在连续工作状态，高温工作条件下尤其要注意。

在实际切换功率负载或大功率负载时，尤其要考虑不宜切换速率过高。

一般应少于10-20次/min。

最大循环速率为：

0.1次/（最大吸合时间最大释放时间）s